5.2 Механічна трансмісія

Складові частини трансмісії

Розглянемо більш докладно елементи механічної трансмісії автомобіля з класичним компонуванням (якщо забули, що таке компонування, то вам варто повернутися до розділу 3 «Складові частини автомобіля й компонувальні схеми»). Отже, трансмісія при такому розташуванні агрегатів має такі елементи (малюнок 5.1):

• зчеплення;
• коробку передач;
• приводний вал із шарнірами (в цьому випадку — карданними);
• головну передачу разом із диференціалом;
• півосі.

Примітка
На зображенні усі елементи показано схематично. З урахуванням того, що диференціал і піввісь знаходяться всередині корпусу головної передачі та кожухах моста відповідно, на малюнку 5.1 показано тільки головну передачу.

Малюнок 5.1 Двигун і складові частини трансмісії.

Увага
Якщо автомобіль передньоприводний, то тяга від двигуна передається на передні колеса через два окремі — правий і лівий — приводні вали, які з головною передачею і маточинами коліс (про маточини розказано в розділі «Ходова частина») з’єднані шарнірно, про що піде мова в розділі «Шарніри рівних кутових швидкостей». Такі самі вали і шарніри встановлено на автомобілі з незалежною підвіскою задніх ведучих коліс, але про це пізніше.
Варто зазначити, що у повноприводних автомобілів — тих, у яких тяга від двигуна передається на всі колеса, — в трансмісію включена ще й роздавальна коробка, про яку ми говоритимемо нижче.

Зчеплення

Призначення зчеплення

Зчеплення служить для тимчасового від’єднання трансмісії від двигуна, а також для плавного їх з’єднання. Від’єднання необхідне при зупинці і гальмуванні автомобіля, а також при перемиканні передач. Плавне з’єднання потрібне при рушанні автомобіля з місця і після увімкнення передач.

Будова і робота зчеплення

Початковий і один із найважливіших елементів усієї механічної трансмісії — зчеплення. Це муфта, яка призначена для з’єднання і роз’єднання двох окремих валів. Зовнішній вигляд звичайного зчеплення представлено на малюнку 5.2.

Малюнок 5.2 Зчеплення.

Зчеплення — це два диски (показано на малюнках 5.3 і 5.4): один із них — натискний (ведучий), другий — ведений (фрикційний). Натискний диск встановлений у кожусі на маховик, який у свою чергу кріпиться до колінчастого вала двигуна. Ведений диск встановлений на шліци первинного вала коробки передач і має можливість переміщатися по шліцах цього вала.

На спрощеній схемі (малюнок 5.3) видно, що один диск зчеплення з’єднаний через кожух і маховик із колінчастим валом, а другий — встановлений на первинному валу коробки передач. Також на цьому малюнку (5.3) показаний натискний диск, який має можливість переміщатися, оскільки кріпиться до діафрагмової пружини. Ця пружина, якщо подивитися збоку, має вигляд усіченого конуса з прорізами по всьому колу (пружину чітко видно на малюнку 5.2). Прорізи утворюють пелюстки, при натисканні на які увесь цей «усічений конус» буде вигинатися у зворотну сторону. Ось і виходить, що на кінці пелюсток тисне витискний підшипник, пружина вигинається, а оскільки до її зовнішньої окружності приєднаний натискний диск зчеплення, то він переміщується і вивільняє ведений диск. У цей момент обидва диски обертаються окремо один від одного, колінчастий вал — незалежно від вала коробки передач, а значить, тяга на колеса не передається — зчеплення вимкнено.

Малюнок 5.3 Спрощена схема конструкції зчеплення.

Цікаво
Якщо диски зчеплення виконують свою роботу при сухих поверхнях тертя, таке зчеплення називається сухим. І навпаки, якщо робочий процес зчеплення відбувається в рідинній ванні, то зчеплення називається мокрим.
Зчеплення може бути однодисковим, дводисковим і багатодисковим. У цьому разі визначення залежить від кількості ведених дисків у зчепленні.
Привод вимикання зчеплення може бути тросовим або гідравлічним (у легкових автомобілях) і гідропневматичним (на вантажівках). Також зчеплення може бути з механічним, напівавтоматичним (автоматизованим) і автоматичним приводом вимикання.

Малюнок 5.4 Будова однодискового сухого зчеплення.

При плавному відпусканні педалі зчеплення на початку руху відбувається плавне увімкнення зчеплення, тобто натискний диск поступово притискає до маховика ведений диск (ведений диск трохи пробуксовує); число обертів колінчастого вала значно відрізняється від числа обертів первинного вала коробки передач, але тяга вже починає передаватися, автомобіль розпочинає рух, а ви продовжуєте відпускати педаль зчеплення. Ведений диск дедалі щільніше притискається до маховика, оберти колінчастого вала і вала коробки передач зрівнюються. Коли ви повністю відпускаєте педаль зчеплення, муфта зчеплення ніби об’єднує два вали, і тяга від двигуна повною мірою передається на коробку передач, а від неї — на колеса.

Корисно знати
Якщо тривалий час не відпускати повністю педаль зчеплення, ведений диск почне начебто вигоряти, оскільки його робоча поверхня — це спеціальні неметалеві фрикційні накладки, які мають властивість зношуватися. При вигорянні веденого диска зчеплення салон автомобіля наповнюється характерним, досить неприємним, запахом.

Привод вимикання зчеплення

Якщо привод механічний, то все досить просто (на підтвердження цього малюнок 5.5): до педалі зчеплення кріпиться трос, другий кінець якого приєднаний до важеля. Важіль своєю чергою впливає на витискний підшипник, а далі процес відбувається, як описано вище.

Малюнок 5.5 Тросовий привод вимикання зчеплення.

Якщо привод гідравлічний, то все трохи складніше (але не настільки, як може здатися при погляді на малюнок 5.6). Є невеликий циліндр із поршнем (називається «головний циліндр гідропривода вимикання зчеплення»), який через шток з’єднаний із педаллю зчеплення з одного боку, і майже такий самий циліндр із поршнем (його назва — «робочий циліндр гідропривода вимикання зчеплення»), сполучений через шток із вилкою вимикання, яка має можливість впливати на витискний підшипник.

Зараз більш поширена конструкція, в якій витискний підшипник і циліндр вимкнення зчеплення об’єднані в один модуль. З погляду надійності все добре, а ось щодо обслуговування системи — все набагато сумніше, порівняно до класичної схеми гідропривода, що описана вище.

Малюнок 5.6 Гідравлічний привод вимикання зчеплення.

Регулювання привода вимикання зчеплення

Хоч би яким був привод вимикання зчеплення — гідравлічним чи механічним, конструкторами закладається можливість його регулювання, оскільки або після розбирання елементів трансмісії, або через надмірний знос веденого диска зчеплення може знадобитися регулювання.

Корисно знати
Що пізніше починає «хапати» зчеплення, то більш зношений ведений диск зчеплення (якщо, звичайно, не проводилися будь-які розбирально-складальні роботи коробки передач). Тобто що вище знаходиться педаль зчеплення (коли її повільно відпускають) при рушанні автомобіля з місця, то більший знос має ведений диск зчеплення.
Якщо ви витиснули педаль зчеплення, без проблем увімкнули передачу, почали плавно відпускати педаль і майже одразу автомобіль почав рух, значить усе гаразд.
Якщо передачі вмикаються нормально, але автомобіль не може як слід заїхати на незначний горбочок, оберти двигуна часом зашкалюють, а машина їде з невідповідною цим обертам швидкістю, і при цьому салон наповнюється їдким характерним запахом горілих фрикційних накладок, значить, зчеплення «буксує», його час замінити (або необхідно відрегулювати привод вимикання зчеплення).
Якщо передачі, навпаки, вмикаються дуже туго, часом із ударом (якщо це не ГАЗ-53, звичайно), або не вмикаються зовсім, причина, знову ж таки, може критися у зчепленні. Воно просто повністю не вимикається, тобто диски не роз’єднуються і колінчастий вал фактично повністю не від’єднується від вала коробки передач, у такому разі говорять, що зчеплення «веде». Найімовірніше, винен привод вимикання зчеплення, його необхідно якомога швидше відрегулювати, інакше може вийти з ладу коробка передач.

Коробка передач

Коробка передач (КП) — украй простий механізм, який складається з корпусу (а він, у свою чергу, з декількох частин) і валів із шестернями всередині нього. Тяга від двигуна з одного боку коробки передач підводиться, а з іншого боку вже збільшена тяга передається далі на головну передачу і колеса.

Коробка передач також служить для зміни тягового зусилля на колесах автомобіля і для отримання заднього ходу, а також для тривалого роз’єднання тяги двигуна від передачі на провідні колеса. Це роз’єднання потрібне для того, щоб не утримувати педаль вимикання зчеплення постійно витисненою.

Однією з функцій коробки передач є пристосованість. Суть її така: тягове зусилля на колесах, потрібне для подолання всіх опорів, що виникають при русі автомобіля, має змінюватися залежно від умов роботи автомобіля.

Якщо автомобіль рухається рівною дорогою з невеликою швидкістю, то тяга, необхідна для подолання опору повітря і втрат на обертання коліс і всіх механізмів, буде невеликою. Для отримання цього тягового зусилля потрібна тільки невелика частина тієї потужності, яку двигун може розвивати. Весь надлишок потужності двигуна накопичується, поки водієві не знадобиться розгін автомобіля з метою набуття більш високої швидкості його руху.

Проте, коли автомобіль рухається поганою дорогою або на підйомі, опір руху значно збільшується. Для подолання цих опорів тягове зусилля на провідних колесах потрібно відповідно збільшувати. Також, коли автомобіль рушає з місця, тягове зусилля на його колесах має бути особливо великим, оскільки при цьому потрібно, крім опору всіх механізмів, подолати ще й інерцію автомобіля, пов’язану з його масою.

Примітка
При певній потужності двигуна, його крутного моменту та кількості обертів колінчастого вала різні тягові зусилля на провідних колесах автомобіля можуть бути отримані способом зміни співвідношення кількості обертів колінчастого вала двигуна і ведучих коліс.
При зменшенні числа обертів коліс, порівняно з числом обертів колінчастого вала, тягове зусилля на колесах зростає, проте при цьому знижується швидкість руху автомобіля (згадаймо приклад із велосипедом). При збільшенні числа обертів коліс тягове зусилля на них знижується, а швидкість автомобіля може бути підвищена.

Зміна співвідношення між кількостями обертів колінчастого вала двигуна і ведучих коліс та зміна внаслідок цього тягового зусилля на колесах проводяться за допомогою зубчастих коліс (шестерень), з набору яких і складається коробка передач. Приклад зубчастої пари, яка складається з ведучої і веденої шестерні, наведено на малюнку 5.7.

Малюнок 5.7 Набір шестерень (зубчаста пара).

При обертанні малої ведучої шестерні (малюнок 5.7) зчеплена з нею велика ведена шестерня обертатиметься повільніше настільки, наскільки більшою є кількість її зубів. При цьому крутний момент на осі веденої шестерні у стільки ж разів зросте.

Відношення кількості зубів (або діаметрів) веденої шестерні до кількості зубів ведучої називається передавальним числом (або передавальним відношенням). Що більше передавальне число пари, то більше змінюються кількість обертів валів шестерень і крутний момент на них. На зміні передавальних чисел способом введення у зачеплення шестерень із різною кількістю зубів і заснована дія коробок передач.

Ще одна з важливих функцій коробки передач — забезпечення можливості автомобіля їхати заднім ходом. Ця функція заснована на включенні між ведучою і веденою шестернями проміжної шестерні — так званої «паразитної шестерні».

Так, при передачі зусилля в коробці без включення паразитної (проміжної) шестерні ведучий вал (малюнок 5.8) і ведений вал обертаються в одному напрямку. При включенні паразитної шестерні ведений вал починає обертатися у зворотний бік, автомобіль рухається назад.

Цікаво
Передавальні числа ніколи не бувають цілими. Правильніше кажучи, при розрахунку передавальних чисел намагаються підібрати їх так, щоб вони не були цілими. Для наочності варто навести приклад: є дві шестерні, ми беремо маркер і ставимо дві мітки — одну навпроти іншої, на обох шестернях. Отже, якщо передавальне число між цими шестернями дорівнюватиме, наприклад, трьом, то рівно через три оберти мітки, нанесені на шестерні, знову зустрінуться. Так кожні три оберти зуби встановлюватимуться в початкове положення. Це призведе до того, що одна пара зубів буде навантажена більше за інші в три рази і, як результат, швидше зноситься або взагалі зламається. Саме тому при підборі передавальних чисел їх намагаються зробити не цілими.

Малюнок 5.8 Спрощена схема одноступінчастої коробки передач.

На сьогодні в легкових автомобілях застосовуються п’яти- і шестиступінчасті механічні коробки передач. Це говорить про те, що у коробки передач п’ять або шість передач переднього ходу і одна передача заднього ходу.

Конструктивно розрізняють дво- і тривалові коробки передач.

У легкових автомобілях, призначених для пересування дорогами загального користування, в коробці передач застосовуються шестерні з косими зубами (показано на малюнку 5.9).

Це зубчасте зачеплення використовується для зменшення розмірів шестерні, підвищення плавності й безшумності роботи, а також для зниження зносу в коробках передач.

В автомобілях спортивних (якщо бути точнішими, ралійних), де безшумність — це останній у списку вимог показник, використовуються прямозубі шестерні (малюнок 5.10).

У всіх двовалових і тривалових механічних коробках передач для полегшення перемикання передач застосовують спеціальні механізми — так звані синхронізатори.

Примітка
На малюнку 5.11 представлено один із варіантів синхронізатора вмикання передач.

Двовалові коробки передач

Примітка
Коробки передач такої конструкції часто застосовуються на автомобілях із переднім приводом коліс або з переднім приводом із заднім мостом, що підключається.

У цій конструкції є ведучий і ведений вали. Ведучий вал через зчеплення з’єднаний із колінчастим валом. Шестерні на ведучому валу встановлені жорстко і входять у зачеплення з шестернями на веденому валу, обертання від якого своєю чергою передається на головну передачу і диференціал, а звідти — на колеса.

Примітка
На малюнку 5.12 наведено приклад двовалової коробки передач із зазначенням шляху тяги від двигуна на головну передачу і колеса залежно від включеної на цей момент передачі.

Малюнок 5.12 Приклад двовалової коробки передач. Потік потужності при увімкненні різних передач.

Перевагою цієї конструктивної схеми є компактність (на підтвердження слів малюнок 5.13), а також простота обслуговування і ремонту. Привод перемикання передач у цьому разі здійснюється тягами (застарілий спосіб привода) або тросами, які легко можна відрегулювати.

Малюнок 5.13 Розріз двовалової механічної коробки передач.

Тривалові коробки передач

Примітка
Тривалові коробки передач отримали широке застосування в автомобілях із поздовжнім розташуванням силового агрегату, де необхідно було зробити так, щоб вихідний вал обертався в той самий бік, що і вхідний.

Особливістю конструкції цієї коробки передач є наявність трьох валів:

• первинного (ведучого);
• проміжного;
• вторинного (веденого).

Вхідний вал з’єднується через зчеплення з колінчастим валом. Тяга від вхідного вала далі через шестерні передається на проміжний вал, а від нього — на вал вихідний, потім — до головної передачі та коліс.

Примітка
На малюнку 5.14 наведено приклад конструкції і потоку потужності при увімкненні різних передач у триваловій коробці передач.

Малюнок 5.14 Приклад тривалової коробки передач. Потік потужності при увімкненн і різних передач.

Тривалова коробка передач із двома вихідними валами

Щоб зробити коробку передач максимально компактною, виробники йдуть на різні конструкторські хитрощі. Одним із таких є використання в конструкції двох вихідних валів. Приводяться обидва ведені вали від одного вхідного вала і передають далі тягу через шестерні на головну передачу (приклад наведено на малюнку 5.15). Всі передачі синхронізовано (тобто для увімкнення передач використовуються синхронізатори). Довговічність і компактність — основні переваги цієї схеми розташування елементів коробки передач. Річ у тім, що навантаження, яке в двоваловій коробці передач припадає на один вихідний вал, в триваловій розподіляється на два вали.

Малюнок 5.15 Приклад тривалової коробки передач із двома вихідними валами.

Секвентальна коробка передач

Згадаємо і секвентальні коробки передач (приклад наведено на малюнку 5.16). У цих коробках можна перемикати передачі виключно послідовно і почергово. Від коробки передач класичного типу така коробка відрізняється принципом роботи механізму перемикання. Такий механізм украй доцільно використовувати, коли до важеля перемикання потрібно тягнутися ногою (наприклад, на мотоциклі) або коли необхідно максимально швидко перемикати передачі (наприклад, на спортивному автомобілі).

Механізм перемикання передач може бути як прямої дії, наприклад на мотоциклах, так і з сервоприводом (автоматизованим або неавтоматизованим).

Малюнок 5.16 Секвентальна коробка передач.

Роздавальна коробка

Призначення роздавальної коробки

Якщо на легковому автомобілі тягове зусилля від двигуна необхідно передати не на одну, а на обидві осі, тобто зробити його повноприводним, то виникає питання: яким чином? Рішенням цього завдання є установка проміжного механізму — роздавальної коробки. Механізм цей займається тим, що розподіляє тягове зусилля від двигуна на передню і задню осі. Роздавальна коробка встановлюється відразу після коробки передач. На малюнку 5.17 наведено приклад будови роздавальної коробки.

Роздавальні коробки можуть бути одноступінчастими або зі знижувальним рядом.

Малюнок 5.17 Приклад роздавальної коробки.

Примітка
Вихідний вал коробки передач з’єднаний із вхідним валом роздавальної коробки. У роздавальної коробки є два вихідні вали: один — на задній міст, інший — на передній. Отже, якщо є можливість зробити так, щоб кількість обертів вихідних валів роздавальної коробки була меншою, ніж кількість обертів вихідного вала коробки передач, значить, кажуть, що в роздавальної коробці є знижувальний ряд.

Існують роздавальні коробки з можливістю повного відключення переднього або заднього моста

Керування роздавальною коробкою може здійснюватися безпосередньо приводним важелем або за допомогою сервомеханізмів, дії яких підконтрольні невеликим перемикачам на центральній консолі або на приладовій панелі.